В рубрику "Комплексные системы безопасности" | К списку рубрик  |  К списку авторов  |  К списку публикаций

Разработка оптико-информационных технологий создания мультиспектральных модулей на базе ИК- и видеосистем.

В современных условиях необычайно актуальными являются задачи защиты от возможных угроз важных инфраструктурных объектов, таких как железнодорожные пути, газо- и нефтепроводы и т.п. Важнейшее значение в общей системе защиты имеет всепогодное обнаружение различных угроз и своевременное на них реагирование. Решающую роль здесь играют видео- и тепловизионные приборы. Сочетание нескольких спектральных каналов в оптико-электронных приборах, при наличии вычислительных средств сбольшой скоростью обработки многомерной информации, получаемой отэтих многоканальных систем, позволяет вреальном масштабе времени более надежно решать задачи обнаружения, распознавания, классификации иидентификации самых различных объектов, т.е. решать задачи обеспечения безопасности. Разработке многоспектральных оптико-электронных приборов в настоящее время уделяется большое внимание.

История развития ИК-детекторов и мультиспектральных модулей

Технологии производства инфракрасных детекторов развиваются и совершенствуются уже на протяжении более 200 лет с момента проведения опыта английским астрономом У. Гершелем. Первый работоспособный электронно-оптический преобразователь был разработан Холстом в фирме “Филипс” (Голландия) в 1934 году. С середины 30-х гг. началось первое соревнование великих держав - Англии, СССР, Германии и США - в области ночного видения. “Стакан Холста” был доработан до серийного производства фирмой EMI (Англия), и с 1942 по 1945 год их было выпущено несколько тысяч штук для нужд британской армии. В конце войны в американской зоне оккупации Германии, на заводе «Karl Zeiss» была обнаружена производственная линия по выпуску тепловых головок самонаведения «Kiel-IV» с фотоприемниками из сульфида свинца. Крупные исследования по фотоприемникам были начаты в США в 1940 году после организации Национального совета по оборонным исследованиям при президенте США. Совет курировал вопросы оптики и ИК-техники. В Советском Союзе приборами ночного видения занимались П. В. Тимофеев и В. И. Архангельский, а также академики С. И. Вавилов и А.А. Лебедев из ленинградского Государственного оптического института. [1]

Принцип работы всех тепловых детекторов основан на изменении электрических характеристик материала приемника за счет энергии поглощенного теплового излучении. У микроболометров повышение температуры приемника изменяет его электропроводность, у термопилей появляется термо-ЭДС, у пироэлектрического приемника изменяется значение поверхностного заряда, а у термоэлектронных тепловых диодов - значение тока внутренней термоэлектронной эмиссии.

Технологии изготовления тепловых детекторов достигли высокой степени совершенства и предопределили ряд преимуществ, благодаря которым сенсоры этого типа занимают доминирующее положение на рынке. Их достоинства - простота конструкции и отсутствие необходимости в охладителе. Практически нет необходимости в сервисном обслуживании. Микроболометры не требуют охлаждения, для них достигнут температурный эквивалент шума (NETD) 40-50 мК для апертурного числа 1. [2]

Актуальность создания многоканальных систем остро стояла перед разработчиками уже начиная с середины 80-х годов прошлого века. Проектированием оптико-электронных приборов, работающих в различных областях спектра (видимом и ближнем ИК-, среднем и дальнем ИК-диапазонах), начали заниматься уже в то время, хотя в распоряжении разработчиков находилась весьма ограниченная номенклатура фотоприемников

Основные принципы построения мультиспектрального модуля

Самым распространенным способом создания мультиспектральных систем до сих пор остается размещение в составе прибора нескольких рабочих каналов, каждый из которых работает в собственном диапазоне спектра. Например, мультиспектральные видео-тепловизионные модули АСТРОН-3А (Рис.1), разработанные ОКБ «Астрон», являются базовыми элементами построения распределенной системы защиты железнодорожного пути и объектов железной дороги от возможных угроз. Модули разработаны с учетом значительного опыта эксплуатации тепловизионных систем типа АСТРОН по охране протяженных объектов Газпрома и РЖД. Применение в модуле хорошо зарекомендовавших себя тепловизионных систем Астрон-320А100, Астрон-320А75, которые серийно выпускаются на протяжении последних лет, позволяет гарантировать устойчивую работоспособность модуля в течении 3 лет (или более 30000 часов наработки).

Рис. 1 Блок-схема мультиспектрального блока «Астрон-3А».

Мультиспектральный модуль АСТРОН-3А работает в двух диапазонах излучения: видимом и дальнем ИК (7-14мкм). В модуле, кроме тепловизионного, предусмотрен видео канал с дальностью видения и распознавания до 1000 метров. Углы обзора видео- и тепловизионного каналов идентичны. Видеоканал используется, в основном, в дневное время. Однако, применение в камерах видимого диапазона низкоуровневых сенсоров позволяет использовать оптический канал при низких освещениях (до 0,001Лкс), что особенно эффективно во время утренних и вечерних выравниваний температур. Благодаря наличию двух каналов существенно увеличена обнаружительная способность модуля в любое время суток и при любых погодных условиях.

Состав технических средство модуля АСТРОН-3А

Модуль содержит, кроме необходимых для тепловизионного и видимого охранного наблюдения блоков, аппаратуру для защиты самого модуля от электромагнитных помех, электрических и магнитных наводок, скачков и пульсаций напряжения, поддержания в необходимом температурном диапазоне различных блоков, обдув окна и прямой нагрев окна и др. (Табл.2)

Конструкция мультиспектрального модуля «Астрон»

Рис.2 Конструкция модуля Астрон-3А

Модуль Астрон-3А (рис.2) состоит:

• верхний отсек (1), содержащий низкоуровневую противотуманную камеру видимого диапазона, объектив и окно со щеткой;
• нижний отсек (2), содержащий призму для поворота оптической оси, систему юстировки, германиевое защитное окно. Тепловое излучение от объекта через германиевое окно попадает на зеркальную призму и направляется вверх на объектив тепловизионного блока. Расположение в нижнем отсеке исключает оседание на германиевый объектив пыли и конденсата. Юстировка на объект осуществляется изменением положения зеркальной призмы. Призма выполнена в виде кассеты и легко может быть заменена вместе с германиевым окном.
• герметичный отсек (3), содержащий светосильный германиевый объектив, болометрическую матрицу, плату захвата, блок видеоаналитики, устройства защиты от перенапряжения и др.
• Корпус модуля установлен на высоковольтные опорные изоляторы (4) с выдерживаемым напряжением, превышающим напряжение срабатывания разрядника на линии молниезащиты (заземления) контактной сети железной дороги. Сам корпус выполнен из стеклопластика и не требует заземления.
• Для подключения волоконно-оптического кабеля используется распределительная муфта, которая позволяет провести транзитные ВОЛС и завести необходимые оптические линии для работы модуля. Наладка всех компонент сетевого оборудования не требует проведение работ внутри модуля и производится по сети Ethernet TCP/IP из любой точки доступа.
• Тепловизионный модуль на всем протяжении работы не требует специального сервисного обслуживания. При необходимости специальных перепрошивок матрицы или изменения параметров выдачи, алгоритмов обработки температурных полей, работы проводятся путем подключения через герметичный разъем кабеля питания, содержащий сервисные пины для настройки матрицы. Сервисное обслуживание блока аналитики производится через сеть Ethernet в любой точке доступа. [4]

Особенности конструкции модуля АСТРОН-3А В нижней части корпуса модуль содержит два герметичных разъема IP67 для подключения оптоволокна и силового кабеля. Муфта оптического кабеля имеет герметичное исполнение для эксплуатации на открытом воздухе и не требует дополнительной защиты. Жесткость и надежность крепления модуля на опору контактной сети (при применении в РЖД) обеспечивает отсутствие колебаний и дрожания модуля во время прохождения высокоскоростных поездов. Настройка на поле зрения производится без нарушения герметичности модуля. Конструкция корпуса содержит германиевые окна с просветлением и алмазоподобным покрытием для исключения потери прозрачности в ИК-диапазоне при их загрязнении. Предусмотрены специальная конструкция защиты германиевых окон от загрязнения и прямой обогрев германиевого окна с одновременной термокалибровкой матрицы для оттаивания снега.

Антивандальность. Благодаря зеркалу в тепловизионном отсеке изменена оптическая ось тепловизионного модуля. При разрушении внешнего защитного окна в результате попадания механических внешних предметов (камень, пуля и т.д.) производится быстрая замена съемного модуля вместе с окном. Стоимость съемного модуля в десятки раз меньше стоимости германиевого объектива и тепловизора, которые остаются при этом неповрежденными.

Увеличение надежности. Важными особенностями являются: отсутствие необходимости проведения работ в полевых условиях внутри модуля, высокая герметичность между отсеками и с внешней стороной корпуса, герметичность разъемов питания и оптоволокна связи, встроенная система защиты от перенапряжения по цепи питания, диэлектрическая прочность стеклопластикового корпуса, электрическая изоляция высоковольтными изоляторами с напряжением перекрытия больше разрядного напряжения разрядника. Всем этим достигается надежность работы модуля в экстремальных условиях железной дороги. Микроболометрические матрицы, прошедшие военную приемку, с работоспособностью до -40°С, исключают их деградацию при возможном отключении питания в зимнее время. Противотуманные низкоуровневые камеры видимого диапазона оснащены свехрсветосильной оптикой для распознавания объектов угроз на расстоянии до 1000 метров

Светосильные германиевые объективы. В тепловизионых модулях Астрон-ЗА применяются специально рассчитанные объективы с германиевой оптикой для обнаружения людей в условиях плохой видимости на больших расстояниях. Опыт создания отечественными предприятиями инфракрасных телескопов для получения и идентификации ИК излучения звезд малой светимости позволил создать сверхсветосильные объективы для тепловизоров. Нам представляется, что важность диаметра объективов недооценивают в охранном телевидении и в охранных тепловизорах. При малых диаметрах объектив не способен собрать от дальнего объекта необходимое количество теплового ИК-излучения для реакции болометрического пикселя. Особенно важным размер объектива становится в тепловизоре, так как болометр - это, иными словами, терморезистор нагреваемый ИК-лучами. От того, сколько лучей попадет от объекта на болометр, будет зависеть чувствительность всего тепловизора.

Распознавание человека и предметов

Особенности работы аналитики заключены в условиях эксплуатации и специфики тепловизионного изображения: детектирование объектов до 2-3 пикселей при разрешении 324*256 тепловизионного сенсора, значительно больший диапазон анализируемых температур, чем 256 градаций серого обычных телевизионных изображений, особенности распознавания локомотивов и составов поездов, особенности работы при пылевых, снежных бурях, сопровождающих проход высокоскоростных поездов, дрожание анализируемого изображения. Интеллектуальная аналитика видео и термоизображения способна распознавать не только тип объекта (человек, собака, предмет, поезд...) но и определяет его размеры и скорость движения. Именно данные распознавания встроенной аналитикой (объективный фактор) указаны в таблице модельного ряда модулей. (Рис.3)

Рис. 3. Пример изображения с тепловизионного модуля АСТРОН-3А. Условия - ночь, отсутствие освещения и легкий снег. Изображение “позитивное”. Дальность до человека 400 метров. Дальность зоны наблюдения (выделено красным) – 1100 м

Особенности одновременной регистрации в видимом и тепловом спектре

Съемки в мультиспектральном режиме позволяют эффективно использовать преимущество как визуального, так и теплового спектров. Мультиспектральный динамический режим позволяет мгновенно получать четкие комбинированные ИК-снимки, по которым легко определить местоположение проблемы. Благодаря наличию двух каналов существенно увеличилась обнаружительная способность модуля в дневное, утреннее и вечернее время. Отдельный анализ видеоизображения дублирует тепловизионный и дополняет его. На рис.4 приведен пример обнаружения упавших предметов с путепроводов.

Рис. 4 Пример обнаружения упавших предметов с путепроводов

Высокая обнаружительная способность в любое время суток и при любой погоде сделали возможным детектирование упавших предметов на железнодорожные пути с путепроводов. Разработаны типовые решения для двухпутных и четырехпутных линий.

Заключение

Технические решения, обсуждаемые в настоящей работе, могут быть применены как для усовершенствования существующих мультиспектральных модулей, так и для разработки модулей нового поколения. Потенциал совершенствования модулей серии Астрон далеко не исчерпан. Так, в результате проведенных в 1 кв. 2017 г. испытаний конструкторским бюро «АСТРОН» с помощью неохлаждаемого тепловизионного модуля IRidium II-640/МП/275/M c объективом 275 мм были достигнуты дальность обнаружения легкового автомобиля – 9,5 км и ростовой фигуры человека – 5,5 км. При этом погодные условия были средними с точки зрения прозрачности атмосферы, что позволяет предположить, что полученные результаты не являются предельными. Геометрический критерий оценки дальности обнаружения для тепловизионного модуля IRidium II-640/МП/275/M дает дальность обнаружения ростовой фигуры человека до 9,7 км. Эти результаты показывают, что тепловизионные модули и оптика производства компании «АСТРОН» могут в некоторых случаях конкурировать с существенно более дорогими тепловизорами на основе охлаждаемых детекторов и могут быть использованы для охраны объектов с высокой протяженностью, таких как: государственная граница, трубопроводы, ЛЭП и т.д. Рассмотренные варианты построения многофункциональных мультиспектральных систем позволяют говорить ошироких возможностях, открывающихся для проектировщиков, создающих оптико- электронные приборы, предназначенные для работы вовсех диапазонах электромагнитного спектра.

www.astrohn.com
www.astrohn.ru

Литература:

1. В.П. Пономаренко, А.М. Филачев «Инфракрасная техника и электронная оптика. Становление научных направления» М. Физматкнига, 2016. 417 с.
2. С. Смук, Ю. Кочанов, М. Петрошенко, Д. Соломицкий «Инфракрасные датчики длинноволнового диапазона на квантовых ямах»// Компоненты и технологии, №1, 2014, с. 152-156
3. В.В. Старцев, В.К. Попов, К.Е. Аношин «Мультиспектральный модуль обнаружения угроз для охраны протяженных объектов н базе ИК- и видеосистем»// Фотоника, №3, с. 82-96, 2017
4. http://www.astrohn.ru/

Опубликовано: Сайт Secuteck.Ru-2017
Посещений: 19514

В рубрику "Комплексные системы безопасности" | К списку рубрик  |  К списку авторов  |  К списку публикаций